陳夢(mèng)浩, 王哲峰, 韓 勁, 賀瑞軍, 張旺峰, 郭嘉琪, 孔令利, 倪志銘

(1. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院, 北京 100095; 2. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110136)

鈦合金因具有優(yōu)異的耐蝕性能、良好的生物相容性及高強(qiáng)度低密度的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于海洋石油[1]、醫(yī)療器械[2]等方面,并且因在航空航天[3]、兵器裝備[4]等領(lǐng)域具有重大的戰(zhàn)略意義而被列為高端戰(zhàn)略性金屬材料。在航空領(lǐng)域中,鈦合金多被用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣、壓氣機(jī)盤和葉片等部件的制造[5]。但是由于鈦合金自身硬度相對(duì)較低,且材料的耐磨損性能較弱,導(dǎo)致其制件在實(shí)際使用時(shí)極易受到環(huán)境中粉塵等的摩擦損耗,降低使用壽命。因此,如何更好地提升鈦合金的表面性能成為近年來(lái)科研學(xué)者一直致力于解決的問(wèn)題[6-8]。

脈沖磁場(chǎng)(Pulsed magnetic field,PMF)沖擊作為電磁脈沖制造工藝之一,是一項(xiàng)高效便捷、無(wú)接觸式的材料處理技術(shù)。此技術(shù)利用高電壓、大電容瞬時(shí)放電產(chǎn)生的強(qiáng)脈沖磁場(chǎng),使被處理零件的近表面產(chǎn)生感應(yīng)電流,磁場(chǎng)與感應(yīng)電流相互切割形成MPa至GPa級(jí)的磁壓力,同時(shí)強(qiáng)磁場(chǎng)能夠?qū)⒏邚?qiáng)度的能量傳遞至物質(zhì)的原子尺度,影響材料內(nèi)部原子的電子自旋狀態(tài)及排列、匹配和遷移等,使原子排列結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變,如位錯(cuò)發(fā)源和運(yùn)動(dòng)等[9]。利用這些效應(yīng)可以優(yōu)化材料組織,提升材料性能。王巖[10]利用脈沖磁場(chǎng)沖擊20Cr2Ni4A鋼,通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度及沖擊次數(shù)得出脈沖磁場(chǎng)處理可以使該鋼種的低碳馬氏體及磁疇分布均勻并使鐵素體基體上的位錯(cuò)增加,進(jìn)而改善材料的硬度、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能。韋遼[11]通過(guò)試驗(yàn)得出脈沖磁場(chǎng)處理為YG8硬質(zhì)合金中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提供了動(dòng)力,使其硬度、橫向斷裂強(qiáng)度較未處理試樣均有所提高,且隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而不斷提升。另外王琳等[12]使用脈沖磁場(chǎng)對(duì)TC11鈦合金進(jìn)行作用,主要研究了材料微觀組織的變化,結(jié)果表明處理后的TC11鈦合金組織不僅發(fā)生了β相向α相的轉(zhuǎn)變,而且促使α相的軸比c/a增大。

因此本文針對(duì)TC4鈦合金,采用外加脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)化的方法,研究了脈沖磁場(chǎng)沖擊對(duì)TC4鈦合金表面硬度及微觀組織的影響,對(duì)試樣表面硬化效果進(jìn)行了分析并進(jìn)一步對(duì)硬化機(jī)理進(jìn)行了討論。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)中使用的是某公司的TC4鈦合金板。由于熱軋鈦合金的力學(xué)性能存在各向異性[13],所以在相同的方向利用線切割將其制成尺寸為106 mm×40 mm×2 mm的試樣。因?yàn)榻饘僭诖艌?chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流的深度受自身電導(dǎo)率σ的影響很大,σ越大作用效果越明顯,而TC4鈦合金的電導(dǎo)率只有銅的1%,故在本試驗(yàn)中為使鈦合金板受到的沖擊力足夠大,選用了106 mm×40 mm×0.5 mm的紫銅片作為沖擊過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)片,置于螺線管與TC4鈦合金板之間。

脈沖磁場(chǎng)沖擊裝置由本實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)制作。為了獲得更高的磁場(chǎng)頻率,選用匝數(shù)更少、線徑更寬的紫銅棒繞制螺線管,并配合帶槽口的中空純鋁塊組成裝置的主要部分。試驗(yàn)時(shí)將作為驅(qū)動(dòng)片的紫銅板與槽口兩端面緊密貼合,使其形成閉合感應(yīng)回路,銅棒螺線管通電產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)即可推動(dòng)紫銅片對(duì)試樣進(jìn)行沖擊強(qiáng)化。沖擊裝置效果圖及實(shí)物如圖1所示。試驗(yàn)過(guò)程使用國(guó)產(chǎn)磁場(chǎng)發(fā)生裝置提供能量,設(shè)備型號(hào)JEMPF-30,充放電電壓范圍0～10 kV,電容器電容量600 μF,其可提供最大30 kJ的能量。

圖1 脈沖磁場(chǎng)沖擊裝置效果圖(a)及實(shí)物(b)Fig.1 Schematic diagram(a) and real object(b) of pulsed magnetic field impact device

脈沖磁場(chǎng)參數(shù)設(shè)置為5 kV電壓下分別沖擊3、10、20、30次,6 kV電壓下分別沖擊3、10、20次,工藝參數(shù)及試樣名稱如表1所示。為對(duì)比觀察沖擊前后的試樣結(jié)果,使用線切割的方法沿相同方向從不同試樣上取下20 mm×10 mm×2 mm的小塊作為測(cè)試試樣,具體如圖2所示。

表1 不同試樣的脈沖磁場(chǎng)參數(shù)Table 1 Parameters of pulsed magnetic field for the different specimens

圖2 鈦合金取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of titanium alloy sampling

將取下的小塊試樣進(jìn)行金相制樣,在經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨后使用維氏顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試,設(shè)備型號(hào)為MH-500,載荷砝碼為100 g,保載時(shí)間為10 s。另將金相試樣打磨、拋光后用于觀察微觀組織,需要注意的是,由于鈦合金板材的硬度相對(duì)較低,故在拋光時(shí)需使用Al2O3懸浮液作為拋光液。選用Kroll試劑(100 mL H2O+3 mL HF(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%)+55 mL HNO3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%)+2 mL H2O2)對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕,用棉球蘸取腐蝕液擦拭試樣5 s后立即用清水沖洗、酒精清洗、吹風(fēng)機(jī)吹干,然后在Zeiss Axio Imager.M2m光學(xué)顯微鏡(OM)上進(jìn)行微觀組織觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 脈沖磁場(chǎng)對(duì)顯微硬度的影響

圖3(a)為TC4鈦合金板材經(jīng)不同參數(shù)處理后的硬度測(cè)試結(jié)果。針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的離散性,且為了更好地體現(xiàn)脈沖磁場(chǎng)沖擊前后試樣硬度的變化趨勢(shì),選擇合適的函數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合。原始試樣未進(jìn)行任何磁場(chǎng)處理,其硬度應(yīng)均勻一致,故使用線性函數(shù)y=a+bx進(jìn)行擬合;脈沖磁場(chǎng)處理的試樣因受到驅(qū)動(dòng)片的沖擊,沖擊力自表面向心部逐漸減小,硬度也隨深度的增加而逐漸降低,故使用單指數(shù)函數(shù)y=Aexp(-x/t)+y0對(duì)其進(jìn)行擬合,所有擬合結(jié)果如圖3所示。

圖3 TC4鈦合金板材在不同脈沖磁場(chǎng)沖擊參數(shù)下的硬度測(cè)試結(jié)果及擬合結(jié)果(a)原始數(shù)據(jù)擬合;(b)5 kV處理試樣;(c)6 kV處理試樣;(d)5120和6120試樣比較Fig.3 Hardness test results and fitting results of the TC4 titanium alloy sheet under different impact parameters of pulsed magnetic field(a) raw data and fitting results; (b) specimens processed at 5 kV; (c) specimens processed at 6 kV; (d) comparison of specimens 5120 and 6120

從圖3(b,c)可以看出,未經(jīng)過(guò)脈沖磁場(chǎng)處理的試樣,其橫截面自表面向心部的硬度值基本在340 HV0.1上下波動(dòng)。而所有經(jīng)過(guò)脈沖磁場(chǎng)沖擊的試樣,其表面硬度均有所提高,作用的有效深度約達(dá)200 μm,硬度在0～200 μm間陡然下降,而后逐漸降低,到最后趨于穩(wěn)定。其中,6120試樣的增強(qiáng)效果最為顯著,其硬度最大值已達(dá)到376.9 HV0.1,較原始試樣硬度提升了10.9%。

另外圖3(b,c)分別展示了5 kV和6 kV電壓下不同沖擊次數(shù)對(duì)試樣硬度的影響,兩圖均反映出試樣的硬度會(huì)隨著沖擊次數(shù)的增加而增加。圖3(d)展示了不同電壓下沖擊20次的兩個(gè)試樣的硬度擬合曲線,結(jié)果表明,在相同的沖擊次數(shù)下,電壓越高試樣硬度提升效果越好。根據(jù)目前已有的結(jié)果可以得出,在一定的范圍內(nèi),高能、多次的脈沖磁場(chǎng)沖擊均是提升TC4鈦合金硬度的有效方式。

強(qiáng)磁場(chǎng)驅(qū)使驅(qū)動(dòng)片快速、多次沖擊TC4鈦合金板表面,是使得試樣表面硬度提升的直接原因。研究資料對(duì)這一機(jī)理的解釋有以下幾種模型:一是沖擊引起試樣表層劇烈塑性變形,從而使組織碎化,即表層的β相因沖擊變得比較細(xì)小,分布更加均勻[14],這可采用光學(xué)顯微鏡對(duì)脈沖磁場(chǎng)沖擊前后的TC4鈦合金板材微觀組織進(jìn)行對(duì)比觀察;二是試樣受沖擊后表面的變形量最大,故在此處的晶粒尺寸可能會(huì)減小,進(jìn)而導(dǎo)致鈦合金表面硬度的提升[15];三是沖擊為原有位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)及位錯(cuò)源釋放更多的新位錯(cuò)提供了能量,增大了位錯(cuò)密度,從而使試樣的硬度提高[16]。針對(duì)本試驗(yàn)中脈沖磁場(chǎng)沖擊后的鈦合金板材硬度提升的具體原因,需觀察試樣的微觀組織后確定。

2.2 脈沖磁場(chǎng)對(duì)微觀組織的影響

圖4為TC4鈦合金板經(jīng)脈沖磁場(chǎng)處理前后的表層微觀組織,可以看出3種試樣的微觀組織均為等軸組織,且均是α+β的兩相結(jié)構(gòu),其中黑色襯度的為β相,白色的則為α相。利用ImageJ圖像處理軟件對(duì)原始試樣的微觀組織照片進(jìn)行分析,得出其中β相的占比約為22%,相比于原始試樣,5130試樣的顯微組織中α相的占比變多,圖片處理結(jié)果顯示β相的占比降至約16%,并且β相變得更細(xì)小且分布更加均勻,而此現(xiàn)象在6120試樣中表現(xiàn)得更加明顯,其中β相僅占約12%。這印證了TC4鈦合金硬度的提升與此相關(guān),因?yàn)殁伜辖馂棣?β的兩相組織,β相多位于α相晶界處且晶界兩側(cè)取向不同都增大了晶界周圍的滑移阻力,所以滑移無(wú)法直接穿過(guò)晶粒,當(dāng)晶界變形時(shí)需多個(gè)晶?；葡到y(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)才能保證其協(xié)調(diào)性,這使得位錯(cuò)易堆積于晶界處,進(jìn)而增加了TC4鈦合金的硬度[17]。

圖4 TC4鈦合金在不同脈沖磁場(chǎng)沖擊參數(shù)下的表層微觀組織(a)原始試樣;(b)5 kV, 30次;(c)6 kV, 20次Fig.4 Surface microstructure of the TC4 titanium alloy under different impact parameters of pulsed magnetic field(a) original specimen; (b) 5 kV, 30 times; (c) 6 kV, 20 times

對(duì)于α相占比增多的現(xiàn)象另有文獻(xiàn)[18]指出,強(qiáng)磁場(chǎng)作用是TC4鈦合金中β相向α相轉(zhuǎn)變的一個(gè)誘發(fā)條件。一方面高能、多次的脈沖磁場(chǎng)處理會(huì)使得被處理試樣表面溫度升高,即脈沖磁場(chǎng)熱效應(yīng),這是誘發(fā)相變的一個(gè)主要因素;另一方面,磁場(chǎng)可以降低金屬的相變溫度并改變相變自由能,使得兩相間的轉(zhuǎn)化阻力進(jìn)一步降低?！耙簧唤怠痹斐闪甩料嗟恼急壬仙?。

2.3 脈沖磁場(chǎng)作用有限元模擬

在脈沖磁場(chǎng)沖擊鈦合金板材試驗(yàn)過(guò)程中,裝置的電參數(shù)與板材的結(jié)構(gòu)參數(shù)均在實(shí)時(shí)變化,使用現(xiàn)有的理論不能簡(jiǎn)潔、有效地描述裝置的放電能量與板材的形變量之間的關(guān)系,這使得對(duì)脈沖磁場(chǎng)沖擊作用下TC4鈦合金板材變形規(guī)律的研究較為困難。不過(guò),隨著有限元理論的發(fā)展與進(jìn)步,上述過(guò)程可以使用有限元模擬軟件Ansoft Maxwell清晰地表示出來(lái),圖5為放電時(shí)間為25 μs時(shí),5 kV及6 kV電壓下銅板驅(qū)動(dòng)片中的感應(yīng)電流分布情況。圖5(a)表明,當(dāng)沖擊電壓為5 kV時(shí),銅板中的感應(yīng)電流并未完全布滿整塊驅(qū)動(dòng)片,僅在靠近螺線管的位置電流密度較高,而當(dāng)電壓提升至6 kV時(shí)(見圖5(b)),整個(gè)銅板中均有感應(yīng)電流存在,并且同樣在靠近螺線管的位置電流密度更高。

圖5 銅板驅(qū)動(dòng)片在放電時(shí)間為25 μs時(shí)的感應(yīng)電流分布情況Fig.5 Induced current distribution at discharge time of 25 μs of copper plate driver(a) 5 kV; (b) 6 kV

根據(jù)放電電流公式:

式中:Im為放電電流幅值,V為電容器充電電壓,C為放電電容量,L為放電回路電感量。

由此可知,裝置的最大放電電流與充電電壓成正比,故當(dāng)電壓為6 kV時(shí),螺線管中流過(guò)的電流幅值更大,再由楞次定律可推測(cè)螺線管外金屬環(huán)(本試驗(yàn)中即為驅(qū)動(dòng)片所在的回路)中的感應(yīng)電流也會(huì)更大,故驅(qū)動(dòng)片與螺線管間的排斥力也會(huì)更大,即鈦合金板受到的沖擊力也會(huì)更大。這與相同沖擊次數(shù)下使用6 kV電壓沖擊的試樣硬度提升效果更好的結(jié)果吻合。

3 結(jié)論

1) TC4鈦合金與原始試樣相比,不同參數(shù)下的脈沖磁場(chǎng)沖擊對(duì)試樣的顯微硬度均有一定提升,且在6 kV電壓下使用驅(qū)動(dòng)片沖擊20次的效果最好,硬度可提升至376.9 HV0.1,提升率為10.9%。

2) 在一定范圍內(nèi),高能、多次沖擊均是提升TC4鈦合金板材硬度的有效途徑。

3) 脈沖磁場(chǎng)作用可使鈦合金中的β相變得更細(xì)小且分布均勻,同時(shí)脈沖磁場(chǎng)作為相轉(zhuǎn)變的一個(gè)誘發(fā)條件,促進(jìn)了試樣微觀組織中β相向α相的轉(zhuǎn)變。

4) 后續(xù)試驗(yàn)可以去除驅(qū)動(dòng)片,使脈沖磁場(chǎng)直接沖擊TC4鈦合金并研究直接作用對(duì)TC4鈦合金各項(xiàng)性能的影響。